Системы управления движением морских судов на основе рекуррентных нейросетевых моделей

• Автор: Константинова, Елена Анатольевна
• Шифр специальности: 05.22.19
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Владивосток
• Количество страниц: 143 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОСОБЕННОСТИ МПО И ИХ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
1.1. Система управления курсом судна
1.2. Общие аспекты моделирования
1.2.1. Классификация моделей
1.2.2. Математические модели
1.2.3. Модель динамического объекта
1.2.4. Математические модели МПО
1.2.5. Физические аспекты движения МПО
1.2.6. Силы и моменты, действующие на корпус судна
1.2.7. Системы координат
1.2.8. Полная математическая модель движения морского
подвижного объекта
1.2.9. Анализ математических моделей МПО
1.3. Линейные модели МПО
1.3.1. Математическая модель Номото
1.4. Нелинейные модели МПО
1.5. Выводы по первой главе
Глава 2. НЕЙРОСЕТИ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
2.1. Обоснование использования нейросетей
2.2. Общие свойства нейронных сетей
2.2.1. Структура нейронных сетей
2.2.2. Рекуррентные сети
2.2.3. Выбор структуры нейронной сети
2.3. Обучение нейросетей
2.4. Применение нейронных сетей
2.5. Обоснование возможности построения нейросетевых моделей
динамики МПО

2.6. Выводы по второй главе
Глава 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙРОСЕТЕВЫХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИКИ МПО
3.1. Нейросетевая идентификация динамики судна на основе линейных моделей Номото
3.1.1. Выбор архитектуры нейросети
3.1.2. Нейросетевая идентификация на основе линейной модели Номото первого порядка
3.1.3. Численные эксперименты по нейросетевой идентификации на основе модели Номото l-ro порядка
3.1.4. Нейросетевая идентификация на основе линейной модели Номото второго порядка
3.2. Нейросетевая идентификация на основе нелинейных моделей Беха и Норбина
3.3. Обучение НС динамике модели МПО, учитывающей нелинейность рулевой машины
3.4. Нейросетевая идентификация в замкнутой системе управления МПО
3.5. Использование идентификации в схемах управления движением судна
3.6. Выводы по третьей главе
Глава 4. НС-ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИКИ СУДНА НА ОСНОВЕ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
4.1. Основные характеристики имитатора ИС 2005
4.2. Построение нейросетевых моделей МПО на основе экспериментальных данных
4.3. Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
В современном мире особенно актуальными являются проблемы управления морскими подвижными объектами (МПО). Это в первую очередь объясняется необходимостью обеспечить условия безопасного мореплавания при увеличивающейся интенсивности судоходства, когда требуется осуществление определенных маневров, прогнозирование возможной нестандартной ситуации, учет непредсказуемых внешних воздействий и др. Рациональная стратегия управления может оптимизировать расход топлива, уменьшить потери ходового времени, снизить себестоимость перевозок. Естественно, система управления курсом является одной из важнейших систем судовой автоматики, от качества работы которой напрямую зависит экономическая эффективность, экологическая безопасность, надежность и безопасность плавания морского судна.
Следует отметить, что в Федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система», утвержденной президентом Российская Федерация на период времени до 2011 года, особое место, с точки зрения обеспечения безопасности мореплавания, занимает подпрограмма «Технология высокоточной навигации и управления движением».
Значительный вклад в решение проблем управления МПО внесли российские ученые Лукомский Ю. А., Пешехонов В. Г., Скороходов Д. А., Чугунов В. С., Пантов Е. Н., Махин Н. Н., Шеремет Б. Б., Агеев М. Д., Цымбал Н. Н, Понырко С. А., Ястребов В. С., Юдин Ю. П., Вагущенко Л. Л. и др., а также их зарубежные коллеги Бех М., Норрбин Н., Д. ван Левен, Номото К., Фоссен Т. и др.
Морские подвижные объекты представляют собой класс сложных
динамических систем, которые действуют в условиях значительного влияния
внешней среды. МПО различного назначения в значительной степени
представляют собой сложные, априорно неопределенные по своим
характеристикам, управляемые динамические объекты, функционирующие в
недостоверно известной среде и разнообразных условиях, описание которых

образует с ними правую координатную систему и вместе с осью X располагается в горизонтальной плоскости (плоскость палубы), а с осью У в поперечной плоскости (плоскость шпангоута). Положительные направления осей: X - в нос; Ъ - в правый борт; У - вверх.
Рис. 1.2 Связанная с судном система координат Использование связанной координатной системы для записи уравнений динамики МПО обусловлено тем, что подвижные оси с началом в центре масс являются главными осями инерции судна и основные внешние силы, действующие на МПО, ориентированы по отношению к корпусу и наиболее просто выражаются в осях, жестко с ними связанных. Поэтому форма уравнений динамики МПО, записанных в подвижной системе координат, оказывается наиболее удобной для их решения при достаточно полном отображении процессов взаимодействия движущего тела и окружающей среды [25, 29, 69, 84, 112].
Большинством авторов используются уравнения относительно не самих координат и курсового угла, а их производных характеристик -линейной скорости V, угловой скорости си и угла дрейфа р и применяются сразу две системы координат - подвижная и неподвижная. Все силы и моменты раскладываются на проекции по осям подвижной системы координат {ХОУ), связанной с самим судном.
В качестве кинематических параметров движения выступают проекции линейной (Ух, Уу, У2>) и угловой (сох, соу, со2) скоростей на связанные оси
же векторы линейной V и угловой со скоростей можно выразить через